Khóa Luận Tốt Nghiệp: Thiết Kế Vi Xử Lý RISC-V 64IF Hỗ Trợ Cache 4-Way Set Associative và Dự Đoán Nhánh Trên FPGA

• Tác giả: Lê Hoài Ân
• Người hướng dẫn: Thạc sĩ Phạm Thanh Hùng
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Thiết Kế Vi Xử Lý RISC-V 64IF Hỗ Trợ Cache 4-Way Set Associative và Dự Đoán Nhánh Trên FPGA
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Mục tiêu đề tài
• 1.2. Kiến trúc tập lệnh RISC-V
• 1.3. Giới thiệu về số floating point
• 1.4. Phép chia và phép tính căn bậc 2 của số floating point
• 1.5. Các lệnh được sử dụng trong hệ thống
• 2. CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC TẬP LỆNH RISC-V
• 2.1. Tổng quát
• 2.2. Kiến trúc tập lệnh cơ sở
• 2.3. Xử lí hazards
• 2.3.1. Forwarding
• 2.3.2. Stall
• 2.3.3. Flush
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VI XỬ LÝ RISC-V 64IF
• 3.1. Mô tả tổng quan hệ thống
• 3.2. Thiết kế Cache
• 3.2.1. Tổng quan khối Cache
• 3.2.2. Khối Cache memory
• 3.3. Tổng quan khối BPU
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ THIẾT KẾ
• 4.1. Kết quả mô phỏng
• 4.2. Kết quả Synthsis trên phần mềm Vivado suite
• 4.3. Kết quả Implement trên phần mềm Vivado suite
• 4.4. Thiết kế Block Design trên Vivado với giao thức AXI4
• 4.4.1. Tổng quan giao thức AXI4
• 4.4.2. Thiết kế Block Design trên Vivado
• 4.4.3. Các IP của Xilinx dùng trong thiết kế Block Design
• 4.4.4. IP Microblaze giao tiếp với local memory
• 4.5. Kết quả thực thi trên FPGA
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Ưu điểm và hạn chế của thiết kế
• 6.2. Hướng phát triển
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• TÓM TẮT KHÓA LUẬN

I. Tổng quan về Thiết Kế Vi Xử Lý RISC V 64IF Hỗ Trợ Cache 4 Way Set Associative

Thiết kế vi xử lý RISC-V 64IF đang trở thành xu hướng trong lĩnh vực công nghệ thông tin. Với khả năng hỗ trợ bộ nhớ đệm 4-way set associative, vi xử lý này hứa hẹn mang lại hiệu suất cao hơn cho các ứng dụng nhúng và IoT. Việc tích hợp bộ dự đoán nhánh cũng giúp cải thiện tốc độ thực thi của các chương trình phức tạp. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các khía cạnh kỹ thuật và ứng dụng thực tiễn của thiết kế này.

1.1. Giới thiệu về Kiến Trúc RISC V và Ứng Dụng

Kiến trúc RISC-V là một trong những kiến trúc vi xử lý mở, cho phép tùy chỉnh và tối ưu hóa cho từng ứng dụng cụ thể. Sự linh hoạt này đã thu hút sự quan tâm từ nhiều nhà sản xuất và nhà phát triển phần mềm.

1.2. Tầm Quan Trọng của Cache 4 Way Set Associative

Bộ nhớ đệm 4-way set associative giúp cải thiện tốc độ truy xuất dữ liệu, giảm thiểu độ trễ trong quá trình xử lý. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Thiết Kế Vi Xử Lý RISC V

Mặc dù thiết kế vi xử lý RISC-V mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức. Việc tối ưu hóa hiệu suất trong khi giảm thiểu chi phí là một trong những vấn đề lớn nhất. Ngoài ra, việc tích hợp các thành phần như cache và bộ dự đoán nhánh cũng đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng.

2.1. Thách Thức Về Tối Ưu Hóa Hiệu Suất

Tối ưu hóa hiệu suất trong thiết kế vi xử lý RISC-V là một thách thức lớn. Cần phải cân nhắc giữa tốc độ xử lý và tiêu thụ năng lượng để đạt được hiệu quả tối ưu.

2.2. Vấn Đề Tích Hợp Cache và Dự Đoán Nhánh

Việc tích hợp cache 4-way set associative và bộ dự đoán nhánh vào vi xử lý RISC-V đòi hỏi sự đồng bộ hóa và thiết kế chính xác để đảm bảo hiệu suất cao nhất.

III. Phương Pháp Thiết Kế Vi Xử Lý RISC V 64IF Trên FPGA

Phương pháp thiết kế vi xử lý RISC-V 64IF trên FPGA bao gồm việc sử dụng ngôn ngữ thiết kế phần cứng Verilog để xây dựng các thành phần chính như cache và bộ dự đoán nhánh. Việc mô phỏng và đánh giá thiết kế cũng rất quan trọng để đảm bảo tính khả thi và hiệu suất.

3.1. Thiết Kế Phần Cứng Bằng Verilog

Sử dụng Verilog để thiết kế phần cứng cho vi xử lý RISC-V 64IF cho phép tạo ra các mô hình chính xác và dễ dàng điều chỉnh. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu lỗi trong quá trình phát triển.

3.2. Mô Phỏng và Đánh Giá Thiết Kế

Mô phỏng thiết kế trên phần mềm Vivado giúp đánh giá hiệu suất của vi xử lý trước khi hiện thực hóa trên FPGA. Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin quý giá để điều chỉnh thiết kế.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Vi Xử Lý RISC V 64IF

Vi xử lý RISC-V 64IF với cache 4-way set associative và bộ dự đoán nhánh có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ thiết bị IoT đến các hệ thống nhúng phức tạp. Những ứng dụng này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

4.1. Ứng Dụng Trong Thiết Bị IoT

Vi xử lý RISC-V 64IF có thể được sử dụng trong các thiết bị IoT, nơi yêu cầu hiệu suất cao và tiêu thụ năng lượng thấp. Điều này giúp cải thiện trải nghiệm người dùng và tăng cường khả năng kết nối.

4.2. Ứng Dụng Trong Hệ Thống Nhúng

Các hệ thống nhúng phức tạp có thể tận dụng vi xử lý RISC-V 64IF để xử lý dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả. Điều này giúp nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Thiết Kế Vi Xử Lý RISC V

Thiết kế vi xử lý RISC-V 64IF hỗ trợ cache 4-way set associative và dự đoán nhánh trên FPGA không chỉ mang lại hiệu suất cao mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong tương lai. Sự phát triển của RISC-V hứa hẹn sẽ tiếp tục thu hút sự quan tâm từ cộng đồng nghiên cứu và phát triển.

5.1. Kết Luận Về Hiệu Suất

Kết quả nghiên cứu cho thấy vi xử lý RISC-V 64IF với các tính năng mới đã cải thiện đáng kể hiệu suất so với các thiết kế trước đó. Điều này chứng tỏ rằng RISC-V là một lựa chọn khả thi cho các ứng dụng hiện đại.

5.2. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Trong tương lai, việc phát triển thêm các tính năng mới cho vi xử lý RISC-V sẽ tiếp tục được nghiên cứu. Điều này bao gồm việc tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất và khả năng tương thích với các công nghệ mới.